Prof. Julius Natterer EPFL Lausanne CH

Flächentragwerke und Kuppel-strukturen in Holz

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Flächentragwerke und Kuppelstrukturen in Holz

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Flächentragwerke und Kuppelstrukturen in Holz

1. Struktur Jede Baukörperform kann bei entsprechender Entwicklung des Tragsystems wirtschaftlich in Holz ausgeführt werden werden. Die Optimierung der Tragstruktur durch Reduzierung der Biegebeanspruchung zugunsten der Normalkraftbeanspruchung durch die Anordnung von Gelenken, zusätzlichen Stäben, Unterspannungen und Abspannungen Bedarf einem erhöh-ten Plannungsaufwand. Holzkonstruktionen sind zumeist als leicht und filigrane Konstruktionen gestaltbar. Eine Reduzierung des Baustoffbedarfes im Holzbau ist durch die Verwendung von druckbe-anspruchten Stabsystemen möglich. Diese besitzen den Vorteil einfacher Anschlüsse und Verbindungspunkte. Pilz- oder Stabbündelstrukturen sind in vielfältigster Art gestaltbar und sind gleichzeitig innenraumausfüllende Strukturen. Es ergibt sich eine Raumgestaltung mit sichtbarer Tragstruktur ohne Unterhangdecke. Einen weitere Möglichkeit zur Optimierung bzw. Minimierung des Materialaufwandes sind die statisch hochgradig unbestimmten Flächentragwerke, Platten, Roste, Fachwerkroste, Scha-len und Hängeschalen. Derzeitige Entwicklungen laufen in Richtung statisch unbestimmter Systeme, durch die statische Unbestimmtheit wird die Materialstreuungen des Holzes aus-geglichen und das Verformungsverhalten für die Dimensionierung maßgebend. Orthotrope Systeme aus Rundholz, Kantholz, Bohlen oder in Brettstapelbauweise, Brettschicht- oder Brettnagelholz im Verbund mit Beton sind wirtschaftliche Konstruktionsmethoden.. Die nachfolgende Beispiele zeigen ausgeführte Holzkonstruktionen mit verschiedenen Trag-systemen.

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Tragwerksysteme: Stabbündelsysteme

Detail

2. Stabbündelsysteme Um die Stützweite des Durch-laufträgers zu ver-mindern werden Kopfbändern einge-setzt. Autobahnraststätte, Nie-derurnen, (CH) 1986 Das 1400 m2 überspannende Dach ruht auf eingespannten Betonstützen - Schneelast 2.5 kN/m2. Für die sichtbare Holz-tragkonstruktion wurden nur Kanthölzer 16/16 cm verwen-det. Zwei Typen von räumlichen Pyramiden und daraus abgeleiteten Spreng-werken bilden das Haupt-tragsysteme. Cafeteria, Weiherstephan, (D) 1980 Pilzähnlich aufgeständerte Balkenrostdecke. Hauptträger bis mit einer Länge von bis zu 7.2 m bilden mit den Neben-trägern ein quadra-tisches Deckenraster von 2.4 x 2.4 m. Lastabtragung der Balken auf die im 7.2 x 7.2 m Raster an-geordneten einge-spannten Betonstützen über räumlich angeordnete Steben-bündel. Sie bestehen aus vierteiligen Vertikalstützen und zweiteili-gen Kopfbändern. Die Quer- und Längstabilität ent-steht durch ein Kopf-bandsystem Cafeteria, Universität Bay-reuth, (D) 1981

Schirmartige aufgefächerte Holzstützen tragen ein räumliches Faltdach. Sie lagern auf eingespannten Betonstüzen, welche in ei-nem Quadratraster mit 14.4 m Seitenlänge ange-ordnet sind. Die dreieckformige Dach-elemente laufen zu einem höhen und niedrigen Punkt gegeneinander. Autobahnraststätte, Niederurnen

Cafeteria, Weiherstephan

Cafeteria, Bayreuth

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Tragsysteme: Trägerroste

Verbindung

3. Trägerroste

Trägerroste sind flache Trag-systeme bestehend aus Einfeldträgern welche in ei-nem Winkel von 90, 60 oder 45° zueinander stehen. Die Träger sind entweder in Kreu-zungspunkt durchgehend oder biegesteif miteinander ver-bunden. Durch diese biegesteifen Knoten entsteht ein hochgradig unbestimmtes System, welches die Lasten in zwei oder drei Richtungen ab-trägt. Die Tragstruktur ähnelt in der Lastabtragung den Rip-penschalen. Unter Last werden alle Träger bean-sprucht - nicht nur diejenigen, auf welche die Last aufge-bracht wird. So beteiligen sich alle Träger entsprechend ihrer Steifigkeit an der Lastabtra-gung. Salzlagerhalle, Lausanne (CH) 1989 11-eckige Halle mit einem Durchmesser von 26 m. Haupttragsystem als Balken-rost, bestehend aus 11 BSH-Trägern mit einer Länge von 13.5 m, auf Betonmauern bzw. auf Nachbarträgern auf-gelagert. Innere Knoten-punkte sind als Gerber-gelenkknoten ausgebildet. Das Sekundärtragsystem be-steht aus parallel zu den Sei-tenwänden angeordneten Kantholzpfetten. Eine 30 mm Schalung mit aufgeklebter Dichtungsfolie bildet die Dach-haut. Kolbermoor, Kirche (D) Quadratischer Kirchen-grundriss mit einer freien Überspannung durch ein Trä-gerrost aus Brett-schichtträgern mit Stahl-knotenpunkten. Der An-schluß der zweiteiligen Träger an das

Stahlkreuz erfolgt über Na-gelplatten und Gelenkbolzen. Das Sekun-därsystem aus Voll-holzpfetten ist feldweise nach den unterschiedlichen Hauptrichtungen ausge-richtet. Salzlagerhalle, Lausanne

Kirche, Kolbermoor

Detail

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Tragsystem: Fachwerkroste

Beispiele:

4. Fachwerkroste Die Gestaltung der Bauteile und Anschlüsse resultiert aus den Biegemomenten, die axialen Kräfte werden in den Ober- und Untergurt eingelei-tet. Die Axialkräfte in den Diagonalen resultieren aus der Scherkraft. Die Hauptträ-ger, welche für große Spannweiten notwendig sind, wirken filigran und trans-parent. Dies ergibt eine ein-drucksvolle räumliche Struktur welche eine große Freiheit für die spätere Nutzung bietet. Weiherstephan, Auditorium (D) Hörsäle mit Verwaltung und Bibliothek. Hier dargestellt das Dachtragwerk über den Sälen welches in den Eckpunkten des 9.6 x 9.6 m Rasters ge-stützt sowie im Rand-bereich 1.8 m auskragt. Knoten-punktabstand im 3D-Fachwerk 1.20 m, System Höhe 1.20 m. Ober- und Un-tergurte sind zweiteilig hin-gegen die Diagonalen ein-teilige Bauteile. In einem Un-tergurtknoten treffen acht Stäbe 6/14 cm der Untergurte und vier Diagonalstäbe 6/12 cm zusammen. Lüterkofen, Mehrzweckhalle (CH) 1993 Nur der Eingangsbereich ist ein Fachwerkrost (Spannweite 16 x 16 m, Rasterfeld 2.3 x 2.3 m). Die Lastabtragung er-folgt in zwei Richtungen. Das Dach der Sporthalle besteht aus Fachwerkbindern.

Auditorium, Weiherstephan

Sporthalle, Lüterkofen

Beispiel vom Detail

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Tragsystem: Tonnenschalen

Konstruktion

5. Tonnenschalen Das Raster der dargestellten Rippentonnenschalen vereint folgende Vorteile: einfache und kostengünstige Errich-tung, Verwendung von nicht verleimten Brettern ästhetisch ansprechende und sichbare Tragstruktur. Die Rippen be-stehen aus mehreren Brettla-gen welche kreuzweise verschraubt werden. In einer Richtung sind die Bretter durchgehend, in der anderen Richtung sind sie unter-brochen und dienen als Füllhölzer. Chaumont, (F) 1993 Die Berufsschule für Lehrlinge ist von einer Rippenschale überdacht welche aus vier sich kreuzenden Brettlagen besteht. Jedes der vier auf-einander gestapelten Bretter ist 35 mm stark. Die Lasten auf der Konstruktion betragen etwa 120 kg/m2. Die Struktur wird von Stahlstützen getra-gen. Der Innenraum bietet durch die sichtbare Holzkon-struktion eine gute Akustik.

Skizze einer Tonnenschale

Chaumont

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Halle für Galeree, Morges (CH)1995

Grunriß

Reithalle, Berlin

Sporthalle, Berlin

Halle für Galeree, Morges (CH) 1995 Diese Brettstapelschale dient als Hallenkonstruktion für den Wideraufbau einer histori-schen Galeere. Mit der Ver-wirklichung dieses Pro-jektes wurde eine Kon-struktion ge-schaffen, welche zeigt - wie mit einfachen Mitteln von zum Teil unge-lernten Arbeitskräf-ten ein funktionelles ansprechendes Bauwerk en-stehen kann. Durch die diagonale Anordnung von Brettstapeln als Tonnenge-wölbe ist die Längsaussteifung der Halle gewährleistet. Die Windbe-lastungen quer zum Gebäude werden von neun externen Schnittholzrahmen aufge-nommen. Durch die Optimie-rung der Konstruk-tionsholzdicke und der An-ordnung der exterenen Rah-men wurden für das umbaute Volumen von der 60 m lan-gen, 20 m breiten und 12 m hohen Halle insgesamt nur 51,3 m3 Holz verbaut. Reithalle, Berlin (D) 1996 Die Reithalle besitzt eine frei-tragende Schalenkons-truktion welche zwischen Holzrahmen aufgespannt ist. Die Spannweite beträgt 20 m. Mit der waagrechten Glied-erung des sehr flachen Hal-lenkörpers wird eine gute Einordnung des Gebäudes in die Landschaft erreicht.

Sporthalle, Berlin (D) 1997 Die Tonnenschale über-spannt 25,4 m. Das Rip-pennetz besteht aus vier sich kreuzenden Brettla-gen. Drei Aussteifungsbögen aus Brettschichtholz, zwei an den Giebelflächen und ei-ner in der Mitte der Halle, nehmen die unsym-metrischen Lasten auf. Halle für Galeree, Morges

Reithalle, Berlin

Sporthalle, Berlin

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Tragsysteme: Kuppelscha-len

6. KUPPELSCHALEN Die folgenden Projekte beste-hen aus einer Rippen-struktur welche mit Hilfe der selbigen Technik wie bei den vorher beschriebenen Ton-nenschalen erbaut wurden. Die Schalenform unter-scheidet sich durch ihre zwei-seitige Krümmung. Polydome, Ecublens (CH) 1991 Die sphäriche Kuppel in ge-schraubter Brettstapelbau-weise hat einen Radius von 27.5 m auf einer Basisfläche von 25 x 25 m und erreicht in der Mitte eine Scheitelhöhe von 6.8 m. Die über die Dia-gonalen gespannten Rip-pen bestehen aus zwei kreuzwei-se angeordneten Schichten verschraubter Bretter mit Füll-hölzern in den Zwischenräumen. Die Bretter sind mit Hilfe von Schrauben und Bolzen an den Kreu-zungspunkten verbunden. Die auf Lücke gelegte Schalung, welche auf die Rippen gesch-raubt ist, dient als Aussteifung der Rippenkuppel. Das Rip-penschalen-Tragwerk erforderte ca. 32 m3 Vollholz. Ausstellungshalle, Ober-Ramstadt (D) 1997 Das Brettrippennetz der Dach-schale überspannt einen rechteckigen Grundriß von 20 x 25 m, und ist auf 4 m hohen Stützen aufgelagert. Die Kup-pel hat von der Fuß-bodenoberkante bis zum Kuppelstich eine Höhe von ca. 11 m. Auf die im Rechteck angeordneten Stützen und Scheiben wurde ein um-laufendes Brettschicht-holzzugband flach aufge-

bracht. Dieses nimmt die Horizontalkräfte aus der Dachschale auf. Ecublens, Polydome

Arbeitsmodele

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St. Quentin, Schwimmbad

Oberramstadt, Ausstellungshalle

Schwimmbad, St. Quentin, (F) 1997 Die Kuppel überdeckt die Um-kleidekabinen, die Tech-nikräume sowie die Cafeteria des Schwimmbads. Die Struk-tur mit einem Durch-messer von 54 m hat die Form eines Torus mit einer Segmentgrö-ße von 225°. Außen ist die Schale auf Stützen gelagert, innen auf einem zentralen Kreis aus Stahlbeton. Die Rippen folgen den geodäti-schen Linien. Somit wird eine Biegung in zwei Richtungen vermieden. Ausgehend vom Rand werden die Rippen an den ersten Kreuzungspunkten verleimt, zur Mitte hin wurden diese auf der Baustelle verna-gelt. Somit wurde sichergestellt, daß die Ele-mente in beiden Richtungen durchgehen. Die horizontalen Kräfte werden von einem äu-ßeren Ring aus Brettschichtholz aufgenom-men. Die Holzschalung auf der Dachoberfläche trägt zur Stabilität der Schale bei. Schule, Nantes (F) 1995 Rundholzstützen tragen eine orthogonale, quadratisch an-gelegte Hauptträgerlage. Darauf wurde diagonal ein Kantholzrost angeordnet, in welchem eine kreisrunde Rip-penkuppel in Brettstapel-bauweise eingesetzt wurde. Die Horizontalkräfte der Kup-pel nimmt ein Ring aus BSH auf. Die vertikale Last-abtragung der Kuppel funk-tioniert über Holzstützen, wel-che gleichzeitig das Trag-gerüst des Kegelstumpfes bil-den. Dessen Holzschalung übernimmt die Abtragung der Windkräfte.

Ecublens, Polydome

Ober-Ramstadt, Ausstellungshalle

St. Quentin, Schwimmbad

Nantes, Schule

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Tragsysteme von Satteldachschalen

Hyperbolikparaboloid

Beschreibung einer Oberfläche

Auflagerreaktionen und innere Kräfte

7. Satteldachschalen Bei diesen sattelförmigen Schalen werden die Lasten über Zugstreben zwischen den zwei hohen Punkten und über Druckstreben zwischen den zwei niedrigen Punkten zu den Randgliedern geleitet. Die Randglieder leiten diese Lasten zu den Lagern weiter. Die horizontalen Auflager-reaktionen müssen durch Zugbänder ausgeglichen oder durch massive Lager aufge-nommen werden. Die Form wird von den Normalkräften in den Brettlagen, sowie von Schub- und Biegebeanspruch-ungen im Randbereich infolge einseitiger Lasten bestimmt. Wenn die Form der Schale den Biegemomenten ange-paßt wird, nennt man die Schale Rippenschale. Diese Schalen bestehen aus zwei oder drei Rippengruppen und einer oder mehrere Brett-schichten. Die Lasten werden nicht nur durch Zug-, Druck- und Scherkräfte in der Brett-lagen, sonder auch über Biegung der Rippen abge-tragen. Dadurch ist es mög-lich, abgeleitet von der reinen Membrantheorie, neben Kup-peln, Rotations-formen und sattelförmigen Schalen sowie freie Formen zu entwickeln. Das Design der Rippenscha-len wird von der Spannweite, der Fom und den äußeren La-sten (besonders unsymmetrische und Wind-lasten) bestimmt. Die Stabilität der Rippenschalen kann bei großen Spannweiten durch zusätzliche Befestigungen er-höht werden.

Altusried, Freilichttribüne

München, Rippenschale

Rosenheim, Rippenschale

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Tragsysteme: Combinierte Schalen Typen

Freilichttribüne, Altusried (D) 1998 Die Freiluftbühne nimmt 4000 Zuschauer auf. Die Struktur überdacht eine Fläche von 30 x 100 m in einer Höhe von 13 m. Die vier hoch belasteten Fachwerkträger sind im Ab-stand von 25 m (aus Fichten-rundholzstämmen) an-geordnet. Die Dachschale, welche zwischen den Fach-werkträgern gespannt ist, be-steht aus zweilagig dia-gonal vernagelten Brettern. Rippenschale in München, West (D) Rippenschale als Ausstell-ungspavillon vor dem Messe-gelände in München. Die Schale besteht aus vier zu-sammengesetzten Sattel-flächen. Die Spannweite be-trägt 9,00 m und die Auskragungen 4,50 m. Wegen der Auskragung und der freien Form der Schale wurde ein biegesteifer Aufbau der Scha-le aus einem Lattenrost 3/6 cm mit zwei Lagen schubsteif vernagelter Bretter gewählt.

Rippenschale in Rosen-heim Rippenschale aus drei 18,00m auskragenden, hy-perbolischen Paroboloiden. Die Randbalken 22/80 cm sind gedrillt verleimt und auf Stahlrohrstützen aufge-lagert. Die eigentliche Schale besteht aus recht-winklig zueinander verlaufenden Rippen 4/10 cm und zwei Lagen schub-steif vernagelten 2,4 cm starken Brettlagen. ExpoDach2000, Hanno-ver (D) Für diese Dächer wird Holz in einer eindrucksvollen Form eingesetzt. Die Schirmdächer werden aus einem Netzwerk von ge-schwungenen Hölzer gebildet und sind in einer Höhe von über 20 m an hölzernen Stützen aufge-hängt. Die Schirme stehen unabhängig voneinander und haben eine Seiten-länge von etwa 40 x 40 m. Konstuktionvollholz, Brett-schichtholz und unter-schiedliche Holzwerkstoffe werden unter Berück-sichtigung des konstruk-tiven Holzschutzes zum Einsatz kommen Hannover, ExpoDach 2000

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